鄂爾多斯盆地延長油氣區(qū)山西組山2段儲(chǔ)層物性影響因素

于波，羅小明，喬向陽，朱晴，王菲菲，周康，楊嬌

(1. 西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，大陸動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710069；2. 陜西延長石油集團(tuán)有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安，710065；3.青海油田采油二廠開發(fā)室，青海 海西州，816400)

延長油氣區(qū)主要位于陜西省延安市境內(nèi)，部分位于榆林市境內(nèi)，面積約為1.6×104km2，構(gòu)造上處鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南部(圖1)，其基底起伏較小，沉積蓋層傾角平緩，無明顯背斜，以鼻狀構(gòu)造發(fā)育為特征[1?2]。近年來，隨著延長油氣區(qū)在南泥灣、甘谷驛、七里村和王家川等地一大批井的試氣成功，展現(xiàn)了廣闊的天然氣勘探前景，已初具大型氣田之雛形。作為研究區(qū)主力產(chǎn)氣層的山2段儲(chǔ)集體主要以辮狀河三角洲前緣水下分流河道砂體為主[3?5]。儲(chǔ)層物性較差，是典型的低孔低滲儲(chǔ)集巖，其氣藏聚集地帶主要受沉積和成巖作用的控制。因此，開展延長油氣區(qū)山2段儲(chǔ)層物性影響因素的研究，對油氣區(qū)儲(chǔ)層評價(jià)和有利氣區(qū)預(yù)測具有重要意義。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of studied area

1 巖石學(xué)特征

根據(jù)鉆井巖心觀察和室內(nèi)212個(gè)砂巖薄片的定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，山2段儲(chǔ)層主要為中細(xì)粒石英砂巖和巖屑質(zhì)石英砂巖(圖2)。陸源碎屑體積分?jǐn)?shù)平均為77.6%，其中石英體積分?jǐn)?shù)為 49.7%，長石體積分?jǐn)?shù)平均為2.3%，巖屑體積分?jǐn)?shù)為18.6%，巖屑中以變質(zhì)巖屑為主，體積分?jǐn)?shù)為 12.7%；其次為火山巖屑，體積分?jǐn)?shù)為4.6%，含少量云母，體積分?jǐn)?shù)平均為1.3%。

碎屑顆粒分選性較好，磨圓度較差，多為次圓—次棱角狀，顆粒之間以線接觸為主，膠結(jié)類型多以孔隙式膠結(jié)和加大孔隙式膠結(jié)類型為主。上述分析表明：研究區(qū)山2段砂巖成分成熟度較高，結(jié)構(gòu)成熟度較低。

研究區(qū)山2段填隙物體積分?jǐn)?shù)平均為18.8%，主要為硅質(zhì)(平均體積分?jǐn)?shù)為6.1%)、高嶺石(平均體積分?jǐn)?shù)為5.3%)、水云母與伊/蒙混層(平均體積分?jǐn)?shù)為5.2%)和碳酸鹽(平均體積分?jǐn)?shù)為2.2%)。

圖2 山2段砂巖成分三角圖Fig.2 Classification diagram of Shan-2 Member of Shanxi Formation

2 儲(chǔ)集層空間類型

通過212塊砂巖鑄體薄片觀察，結(jié)合掃描電鏡及陰極發(fā)光分析，研究區(qū)山2段砂巖的面孔率為3.6%，該區(qū)孔隙類型主要有剩余原生粒間孔(約占1.5%)、粒間溶孔(約占 1.1%)、粒內(nèi)溶孔(約占 0.7%)、晶間孔(0.2%)和微裂縫(約占0.1%)等。

2.1 原生粒間孔隙

本研究區(qū)原生粒間孔隙有 3種：(1) 碎屑顆粒被綠泥石膜或襯邊所包裹后剩余原生粒間孔隙；(2) 石英次生加大或早期成巖階段形成的微晶方解石膠結(jié)物充填之后剩余的原生粒間孔；(3) 被黑云母、千枚巖和泥巖巖屑等塑性顆粒變形后形成的假雜基占據(jù)后剩余的原生孔隙，此類孔隙孔徑較小，在普通顯微鏡下難以辨認(rèn)。研究區(qū)目的層砂巖的原生粒間孔隙主要為被石英次生加大膠結(jié)物充填的縫狀粒間孔隙。

2.2 次生孔隙

次生孔隙是研究區(qū)上古生界砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育類型，因后期成巖作用改造而形成的孔隙，如溶蝕作用、交代、溶蝕及膠結(jié)產(chǎn)生的各種形式的孔隙。溶蝕組分分別為碎屑顆粒、雜基、膠結(jié)物或自生交代礦物，包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔以及填隙物內(nèi)溶孔。

(1) 粒間溶孔：主要分布在綠泥石及水云母襯邊等發(fā)育的砂巖中，顆粒邊緣有明顯的溶蝕痕跡，邊緣毛糙不整，呈港灣狀、長條狀、蠶食狀和半球狀，溶蝕粒間孔形態(tài)多樣，所形成的溶孔通常不規(guī)則，孔徑大多為5～50 μm，常與長石和巖屑溶孔等伴生，并被細(xì)小的溶蝕縫連通起來。

(2) 粒內(nèi)溶孔：本研究區(qū)砂巖石英含量較高，長石含量較少。長石普遍遭受溶蝕，在酸性成巖環(huán)境下，沿長石解理，形成形態(tài)較規(guī)則的長石粒內(nèi)次生溶孔。噴發(fā)巖巖屑中的長石斑晶和基質(zhì)部分溶蝕后形成蜂窩狀粒內(nèi)溶孔；千枚巖和黑云母等假雜基被溶蝕后形成粒內(nèi)微溶孔。

2.3 晶間微孔

鑄體薄片下能夠鑒別的填隙物內(nèi)孔主要為結(jié)晶程度較好的，孔徑大于5 μm的的高嶺石晶間微孔。這類孔隙在研究區(qū)各層段砂巖中發(fā)育普遍，主要分布在粒間孔隙中和巖屑及長石次生溶孔中。孔隙的孔徑及分布不均勻，一般孔徑較小，其孔徑與晶體粒徑和堆積緊密程度等有關(guān)。巖屑蝕變形成的高嶺石結(jié)晶差，晶間孔少，不足高嶺石含量的1/10，孔徑小于1.0 μm。

2.4 微裂縫

常規(guī)薄片和掃描電鏡觀察表明：研究區(qū)微裂縫孔隙并發(fā)育不是很成熟，大致可分為粒間縫和巖石縫，巖石縫比較細(xì)，?？梢载灤┧苄詭r屑和雜基等。盡管巖石縫分布遠(yuǎn)不及粒間縫普遍，但是，為大規(guī)模流體的運(yùn)移提供了通道，為次生溶蝕孔隙的產(chǎn)生創(chuàng)造了潛在條件。

3 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征

3.1 儲(chǔ)層物性特征

通過對本研究區(qū) 62口取心井2235塊化驗(yàn)資料分析統(tǒng)計(jì)，主要孔隙率范圍在2%～10%，平均孔隙率為4.3%，主要滲透率分布范圍在(0.01～0.51)×10?3μm2，平均值為 0.32×10?3μm2，為低孔隙率和特低滲透儲(chǔ)層?？紫堵屎蜐B透率具有明顯的正相關(guān)特征(圖3)，說明儲(chǔ)層的滲透性主要受孔隙和喉道所約束，孔隙的發(fā)育直接控制著氣層物性和含氣性。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)薄片及壓汞資料研究表明：山2段孔隙類型以微孔隙為主，約占 35.1%，其次為中孔和小孔，分別占總統(tǒng)計(jì)數(shù)的 25.4%和 21.3%，喉道類型主要為微喉，占統(tǒng)計(jì)數(shù)的 64.4%，其次為吸附喉，占統(tǒng)計(jì)數(shù)的25.3%；微細(xì)喉和細(xì)喉所占的比例較小，分別為5.4%和3.7%。進(jìn)汞曲線平臺不明顯，呈陡斜式，說明孔喉分選較差，孔隙結(jié)構(gòu)微觀非均質(zhì)性強(qiáng)。根據(jù)大量的儲(chǔ)層毛細(xì)管壓力曲線的分析，認(rèn)為本區(qū)毛細(xì)管壓力曲線可分為以下4種類型:Ⅰ大孔細(xì)?微喉型，Ⅱ中?小孔微喉型，Ⅲ微孔微喉型，Ⅳ微孔吸附喉型(見表 1和圖 4)。

圖3 研究區(qū)山2孔隙率與滲透率關(guān)系圖Fig.3 Relation between porosity and permeability of Shan-2 Member of Shanxi Formation in studied area

表1 研究區(qū)山2儲(chǔ)層壓汞參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Mercury-injection parameters of Shan-2 Member of Shanxi Formation in studied area

圖4 研究區(qū)山2儲(chǔ)層壓汞曲線特征圖Fig.4 Tyoical mercury-injection curves of Shan-2 Member of Shanxi Formation

4 儲(chǔ)層特征影響因素分析

研究區(qū)山2儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微觀非均質(zhì)性強(qiáng)，屬低孔隙率和特低滲透率的巖性氣藏，主要受沉積和成巖作用的控制。

4.1 沉積作用

沉積作用對儲(chǔ)層發(fā)育狀況及儲(chǔ)層的屬性起著重要的控制作用[6?8]。研究表明：研究區(qū)山2儲(chǔ)層屬于三角洲前緣亞相沉積，發(fā)育水下分流河道、河道側(cè)翼和分流間灣等沉積微相。水下分流河道是本區(qū)主要的有利相帶，其水動(dòng)力較強(qiáng)，分選較好，黏土和雜基含量較少，成分成熟度較高，具有較高的孔隙率和滲透率，成為較好的儲(chǔ)集體。而對于其他相帶，由于水動(dòng)力較弱，沉積物顆粒細(xì)和雜基等填隙物含量高，在壓實(shí)和膠結(jié)作用下，孔隙率和滲透率急劇降低。

研究發(fā)現(xiàn)：組成砂巖的陸源碎屑顆粒粒徑直接決定粒間孔隙的孔徑，通常情況下粒度粗的砂巖中常見較大的孔隙，其滲透率也較高；而粒度小的砂巖中孔隙就小，滲透率一般也比較低(圖5)。由此可見：優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層往往發(fā)育在磨圓好、分選好以及粒度粗的砂巖中。這是由于粒度較大(粗細(xì)砂巖)、分選好和雜基含量低的巖石原生孔隙發(fā)育較成熟，酸性流體易進(jìn)入儲(chǔ)層，溶蝕作用發(fā)育較成熟，所以，儲(chǔ)層物性好[9]。綜合研究表明：研究區(qū)儲(chǔ)層物性較好的一般為細(xì)砂巖以上的粒級。

4.2 成巖作用

4.2.1 壓實(shí)和壓溶作用對儲(chǔ)層孔隙的影響

壓實(shí)作用是導(dǎo)致研究區(qū)砂巖孔隙喪失的主要原因，特別是在成巖早期，強(qiáng)烈的壓實(shí)作用使碎屑沉積物迅速壓實(shí)，使原生孔隙大大降低。

圖5 不同砂巖類型與孔隙率和滲透率關(guān)系圖Fig.5 Distribution map of porosity-permeability of different kinds of Sandstone type

由于本研究區(qū)山2段儲(chǔ)層埋深較深，剛性石英受應(yīng)力作用發(fā)生脆性破裂(圖 6(a))。柔性碎屑顆粒(如云母、泥質(zhì)巖屑)因壓實(shí)彎曲、假雜基化以及它們定向或半定向排列，常見石英次生加大區(qū)使顆粒線接觸，并見凹凸或縫合線接觸。

利用壓實(shí)率可以定量表征壓實(shí)作用強(qiáng)度：ρr=(pi?V)/pi×100%[10](其中：pi為原始孔隙率；V為壓實(shí)后粒間體積)。原始孔隙率根據(jù) Scherer[11]提出的濕砂在地表?xiàng)l件下的分選與孔隙率的關(guān)系計(jì)算：pi=20.91+(22.9/G)(其中：G為Trask分選系數(shù))。原始孔隙率在 33.5%～39.7%之間，平均為 35.8%。V=Vp+Vc+Vs(其中：V為壓實(shí)后的粒間體積；Vp為薄片下粒間孔隙體積；Vc為膠結(jié)物；Vs為雜基含量)。經(jīng)計(jì)算，山2段儲(chǔ)層砂巖壓實(shí)率為19.2%～81.3%，平均為54.4%。由壓實(shí)作用造成的原生孔隙喪失為19.5%

4.2.2 膠結(jié)作用對儲(chǔ)層的影響

黏土礦物膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)是研究區(qū)最主要的膠結(jié)作用。

伊利石和伊/蒙混層在巖屑含量較高的砂巖中廣泛發(fā)育，呈微細(xì)的鱗片狀、似膠粒狀或絮狀集合體分布于粒間孔隙中。掃描電鏡下伊/蒙混層單體呈彎曲片狀，集合體呈蜂窩狀，具刺狀凸起(圖 6(b))。伊利石

圖6 山2段砂巖的掃描電鏡及鑄體薄片特征Fig. 6 SEM and optical photomicrographs of Shan-2 sandstones

呈不規(guī)則片狀、纖維狀、針狀和毛發(fā)狀(圖 6(b))。本研究區(qū)砂巖中的伊/蒙混層為蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物，并以晚期演化階段的富伊利石層為主。雖然伊/蒙混層黏土礦物的出現(xiàn)對原生粒間孔的損失不大，但對滲透率的影響較大，因?yàn)榫砥瑺詈徒z縷狀晶體常常呈橋連式產(chǎn)出，對喉道的堵塞較為明顯。綠泥石在山2段中砂巖中比較少見，呈薄膜狀或孔隙充填形式產(chǎn)出(圖6(c))。

高嶺石在研究儲(chǔ)層中廣泛發(fā)育，根據(jù)顆粒形態(tài)和結(jié)晶程度等大致可分出2類高嶺石：一種形成于成巖早期，晶形較差，呈蠕蟲狀或分散片狀分布于顆粒表面，為長石等經(jīng)酸性水溶蝕而成，以充填粒間為主，晶間孔隙不發(fā)育，局部發(fā)育不規(guī)則溶蝕邊緣(圖6(d))；另一種形成于晚期，晶形發(fā)育較好，單晶呈假六方片狀，由孔隙溶液中直接沉淀或由早期晶形較小的高嶺石逐漸演化而來，集合體呈書頁狀松散堆積于粒間孔隙或長石次生溶孔中，晶間孔隙發(fā)育良好(圖6(e))。

自生硅質(zhì)膠結(jié)物在研究區(qū)普遍出現(xiàn)，其中以石英的自生加大為主。在鑄體薄片和陰極發(fā)光片下觀察，大部分石英具次生加大，多數(shù)屬Ⅱ～Ⅲ級；石英次生加大邊與碎屑石英間以很薄的黏土膜分開，自形晶面發(fā)育，加大后的石英互貼合，或鑲嵌緊密，呈凹凸?fàn)罱佑|，多生長于孔隙壁或長石等顆粒溶孔的內(nèi)部，呈孔隙充填狀(圖6(f))。雖然早期的石英次生加大邊能部分地抑制壓實(shí)作用的有效進(jìn)行，但隨著成巖作用的繼續(xù)，自生加大邊向孔隙空間生長，交錯(cuò)鑲嵌，堵塞孔隙(圖6(g))，降低了儲(chǔ)層的孔、滲性能。

碳酸鹽膠結(jié)物在本研究區(qū)山 2段砂巖中非常普遍，其主要以粒間膠結(jié)物、交代物或次生孔隙內(nèi)填充物出現(xiàn)，常呈細(xì)晶－中晶結(jié)構(gòu)，少量呈泥晶結(jié)構(gòu)，成分主要包括方解石、鐵方解石、鐵白云石和菱鐵礦，主要以(鐵)方解石為主。研究區(qū)內(nèi)(鐵)方解石膠結(jié)物可分為早、晚兩期，以晚期為主。其中，早期方解石膠結(jié)物主要是微晶方解石單獨(dú)或與黏土礦物混雜在一起充填于粒間(圖 6(h))；晚期方解石膠結(jié)物主要為鐵方解石，晶粒粗且大多呈它形，以不規(guī)則狀分布在以線狀和凹凸?fàn)罱佑|為主的碎屑顆粒之間，部分晚期方解石的沉淀發(fā)生于溶蝕作用之后。其從早期沉淀到溶蝕再到晚期沉淀，反映孔隙水性質(zhì)的變化是從堿性變酸性再變堿性的過程[12?13]。

碳酸鹽礦物是造成砂巖物性變差的主要膠結(jié)物，對儲(chǔ)集層的影響具有雙重性。一方面，早期成巖作用階段所形成碳酸鹽使得砂巖的抗壓實(shí)能增強(qiáng)，對部分剩余粒間孔起保護(hù)作用；另一方面，碳酸鹽自生礦物的形成，主要是在粒間孔壁和粒內(nèi)溶孔中結(jié)晶沉淀析出，以充填孔隙為主從而使得孔隙率減小，降低儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能(圖 7)。通過膠結(jié)率計(jì)算公式ρc=Vc/pi×100%(其中：ρc為膠結(jié)晶率；Vc為膠結(jié)物體積；pi為原始粒間孔隙)及各種膠結(jié)物析出含量分析，山2段砂巖的膠結(jié)率為13%～61.2%，平均為39.3%，由此造成的孔隙喪失為14%。

4.2.3 交代作用對儲(chǔ)層物性的影響

研究區(qū)山2段砂巖中常見的交代作用包括方解石交代碎屑顆粒，方解石交代膠結(jié)物，方解石交代泥質(zhì)雜基，水云母交代石英次生加大與粒間微晶石英等。另外，蒙脫石經(jīng)混層向伊利石和綠泥石的轉(zhuǎn)化，長石的高嶺石化現(xiàn)象，高嶺石與伊利石的相互轉(zhuǎn)化也很常見。從區(qū)內(nèi)孔隙的分布情況來看，溶蝕孔隙多數(shù)被膠結(jié)作用破壞。

4.2.4 溶蝕作用對儲(chǔ)層物性的影響

區(qū)內(nèi)溶蝕作用強(qiáng)烈，根據(jù)顯微鏡及掃描電鏡分析黏土礦物、碳酸巖礦物和石英顆粒等溶蝕作用所產(chǎn)生的次生孔隙非常有限，主要發(fā)生在長石顆粒表面及內(nèi)部(圖 6(h))，其次為巖屑發(fā)生溶蝕。顆粒的溶蝕有 2種情況：一種是長石和巖屑等不穩(wěn)定顆粒直接溶蝕形成粒內(nèi)溶孔；另一種是長石及巖屑等顆粒先被碳酸鹽礦物交代，后來交代物發(fā)生溶蝕而使顆粒間接被溶，常形成粒內(nèi)溶孔及粒間溶孔。溶蝕作用對改善砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能起到了建設(shè)性的作用。盡管部分溶蝕孔又被后期含鐵碳酸鹽膠結(jié)物充填，但仍有較多的次生孔隙被保留下來。由溶蝕作用形成的新孔隙約為1.7%。

圖7 山2段碳酸鹽巖含量與孔隙率、滲透率關(guān)系圖Fig. 7 The relation between content of carbonate minerals and petrophysical properties of the Shan-2 Member of Shanxi Formation in studied area

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)山 2儲(chǔ)層主要以中細(xì)粒長石砂巖和巖屑質(zhì)石英砂巖，具有成分成熟度較高和結(jié)構(gòu)成熟度較低的特點(diǎn)。儲(chǔ)集空間以溶蝕孔為主，原生孔隙次之，粒內(nèi)溶孔主要為長石和巖屑溶孔?？紫额愋鸵晕⒖紫稙橹鳎?/p>

(2) 山 2儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)主要為微孔吸附喉型、微孔微喉型、中?小孔微喉型、大孔細(xì)微喉型4種類型?？紫额愋鸵孕?微孔為主，喉道類型主要為微喉型，儲(chǔ)層物性較差，為低孔隙率和特低滲透率氣藏。

(3) 沉積作用是影響儲(chǔ)層特征的根本因素，在不同的沉積相帶，巖石類型、巖石粒度、分選和雜基成分等都有明顯區(qū)別，研究區(qū)儲(chǔ)層物性較好巖石的一般為細(xì)砂巖以上的顆級，水下分流河道研究區(qū)最有利的沉積相帶。

(4) 成巖作用也是影響也是該區(qū)山 2儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的重要因素。 壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是本研究區(qū)山2段儲(chǔ)層物性變壞的主要因素，山2段儲(chǔ)層由壓實(shí)作用造成的平均孔隙率喪失 19.5%，膠結(jié)作用使其孔隙率降低14%。溶蝕作用使孔隙率得到一定提高，溶蝕作用增加的孔隙率平均為1.7%

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